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2022年世界科学技术发展回顾 • 能源环保篇

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  高温气冷堆是第四代核电堆技术,具有安全性好、效率高、经济性好、用途广泛等优势。高温气冷堆通过核能—热能—机械能—电能的转化实现发电,能够代替传统化石能源,实现经济和生态环境协调发展。这种类型的反应堆可产生电力和高温热量,用于制氢、海水淡化和中央供热,无需充电就可以运行约10年。这些品质使高温气冷堆成为确保向难以到达地区(如极北地区)的定居点和企业供应能源和热量的最佳解决方案。

  托木斯克理工大学提出了一种用于高温气冷核反应堆的新型中子吸收剂方法——使用气态三氟化硼作为核燃料所释放中子的吸收剂。使用新吸收器不仅有助于更有效地控制核反应,它的浓缩版本也很适合安全紧急中止反应堆。三氟化硼的主要优点是能够在高达1000℃的温度下保持气态并且不会分解。这种化合物的毒性很大,但在室温下在普通水中会完全中和。该研究成果有助于大幅度的提升自20世纪中叶以来开发的这类反应堆的安全性。

  2022年气候平均状态随时间的变化在德国引发广泛关注,德国也多管齐下确保能源安全,包括继续推进氢能项目等。

  2022年夏季,欧洲森林火灾导致的温室气体排放量为2007年以来最高。德波边境的奥得河发生大量鱼类死亡的生态灾难。欧洲激进的环保组织不惜通过污毁艺术品,阻塞交通要道,甚至破坏公司制作设备等行为来引发公众对环保和气候平均状态随时间的变化的关注。

  海洋和气候平均状态随时间的变化研究方面,阿尔弗雷德韦格纳研究所取得了一系列成果:发现气候变化可能会改变并加剧北冰洋的季节性酸化,对海洋生物具有深远影响;根据卫星数据估算北极全年的冰层厚度和体积;发现塑料泛滥已蔓延到北极的所有栖息地;建议在超过生态临界点之前阻止海洋不可逆转的塑料污染;成功在南极获取首批包含远古历史气候数据的钻芯;绘制了北极中部气候过程的第一张完整图景,发现北极的变暖速度是地球别的地方的两倍多;开始建造“流星4代”远洋科考船等。

  德国政府尽力确保能源供应安全,推出了“气候与转型基金”,从2023年到2026年,将提供约1775亿欧元用于促进环保、可靠和负担得起的能源供应和气候保护。

  德国耗资7亿欧元的氢旗舰项目也继续推进,电解槽的规模化和系列化生产、海上风电无并网制氢、氢运输技术均取得进展,氢能经济发展步入正轨。另一方面,德国还在探索利用微生物和阳光可持续生产氢;与日本合作,把氨作为氢的载体,研发新型综合反应堆技术。

  在节能减排、加大脱碳力度、向新能源和可再次生产的能源转型方面,英国制定了能源安全战略,并取得了多项进展。

  2022年4月,英国政府正式公布新的《英国能源安全战略》,旨在“促进长期能源独立、安全和繁荣”,生产更多“清洁”和“负担得起”的能源。根据这份战略,未来英国将在核能、海上风电、氢能等可再次生产的能源领域加大投资,力争到2030年英国95%的电力将来源于低碳能源。

  英国原子能管理局等机构称,世界上顶级规模的核聚变反应堆欧洲联合环状反应堆(JET)中产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体。这是自1997年以来,世界首次进行的氘氚核聚变实验。

  剑桥大学使用一种广泛存在的蓝绿藻为微处理器持续供电了一年,该系统具有以可靠和可再生方式为小型设备供电的潜力。曼彻斯特大学领导的国际研究团队,开发了一种利用光和光催化材料,在常温常压下将甲烷直接转化为液态甲醇的快捷方法,这一成果不仅有助于节能减排,且能获得经济收益。剑桥大学还设计出一种超薄、灵活的设备,就像“人造树叶”,其灵感来源于光合作用,能生产一种可持续的汽油替代品,这种设备成本低、足够轻,可以漂浮在水上而不会占用陆地空间。

  2022年,美国在气候平均状态随时间的变化和环境研究方面取得多项成果,也开发出一些有效的节能减排技术和产品。

  在环境研究方面,加州大学戴维斯分校一项研究显示,微塑料可将陆地上的病原体带入海洋,可能会对人类和野生动物的健康造成影响。洛斯阿拉莫斯国家实验室发现,北极气温上升速度是全球变暖的4倍。麻省理工学院研究团队发现,地球拥有一种“稳定反馈”机制,已运行数百万年,可随时间推移自我调节温度。斯克里普斯海洋研究所首次在南极洲冰层以下的沉积物中发现一个巨大的地下水系统。

  在推动环保的创新技术方面,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校科学家报告了一种能够完全回收的、可生物降解的打印电路,这能一进步让垃圾填埋场中的可穿戴设备和其他柔性电子科技类产品分流,减轻重金属废物对健康和环境的危害。莱斯大学将回收利用的汽车废塑料变成石墨烯,并通过一种节能技术将其用来制造新的汽车部件。得克萨斯大学奥斯汀分校科学家研制出一种新的酶变体,能在几小时到几天内分解正常情况下需要数百年才能降解的塑料,有望大大推动塑料的回收利用,真正开启塑料循环经济。

  罗格斯大学开发了一种可生物降解的植物性涂层,可喷在食品上,防止病原微生物和腐败微生物入侵以及运输破坏。国家可再次生产的能源实验室和麻省理工学院工程师设计了一种没有运动部件的热机,以超过40%的效率将热能转化为电能,优于传统蒸汽轮机,在推广可再次生产的能源和实现完全脱碳电网的道路上迈出了至关重要的一步。

  为按时完成脱碳目标,2022年,法国重新拥抱核能,也加大了风能、太阳能以及氢能等可再次生产的能源的支持力度。

  2月,总统马克龙宣布其连任当选法国总统后的长期能源计划,包括重启核能,目标是在2050年前建造6座新的第二代欧洲先进压水堆,延长核电站有效期至50年,并明白准确地提出“不再有关闭目标”。

  在可再次生产的能源方面,根据“法国2030”计划,法国将投入10亿欧元用于可再次生产的能源的研发,计划到2050年建成50个海上风力发电场,实现风电产能达40吉瓦的目标;太阳能发电装机容量将增加10倍,达到100吉瓦以上。法国还将继续投资水力发电站以及沼气利用等可再生热能开发。

  法国还提出在30年内将能源消耗减少40%,加速工业设施脱碳和住房节能改造,全力发展新能源汽车和氢能产业。

  氢能方面,法国政府11月宣布“已保证2吉瓦电解水制氢设备”,并重申发展绿氢是工业脱碳的支点之一。法国氢能战略路线吉瓦电解水制氢设备,年产绿氢70万吨。此外,欧盟委员会公布两批氢价值链“欧洲共同利益重点项目”(IPCEI),这中间还包括法国提交的17个,法国将为这批项目投资21亿欧元。

  2022年,日本政府发布了新的氢能路线图,日本科学家也开发出多款节能产品,同时注重废物的回收和再利用。

  3月,日本经济产业省发布了新版《氢能与燃料电池路线年将能源结构中氢能的使用占比提高。

  在节能减排产品研制方面,日本国家材料科学研究所开发了一种耐用的钙钛矿型太阳能电池,面积仅为1平方厘米,能在阳光下以超过20%的光电转换效率连续发电1000多个小时,可用于开发轻型多功能太阳能电池。日本科学家还开发出一款新碳捕集系统,能直接从大气中清除二氧化碳,效率高达99%,且捕集二氧化碳的速度至少是现有系统的两倍,成为迄今处理空气中低浓度二氧化碳最快的捕集系统,有望开启直接空气捕集新时代。

  在废物回收利用方面,东京大学开发的技术可将食品残渣转化为建筑水泥,这是世界上首个完全使用食物制作水泥的工艺。科学家利用回收稻壳创造了首个硅量子点LED灯。此外,量子科学技术探讨研究开发机构利用高性能离子导体作为锂分离膜,开发出超高纯度锂(99.99%)回收技术和离子导体锂分离技术,可从车载锂离子电池中低成本回收超高纯度锂,作为电池原料,将制造电池原料的氢氧化锂成本降至进口价格的一半以下。

  以色列将自身定位为全球气候技术的领导者。截至2022年初,仅在新能源领域,以色列就有100余家各种企业,涵盖能源传输、能源存储、新能源发电等方面,而所有与气候技术相关的公司数达到700家。

  在促进气候技术创新方面,2022年5月,以色列能源部和以色列创新局与美国能源部合作,宣布提供400万美元用于开发创新的清洁能源技术,例如研发碳捕获等技术,减少天然气和其他相关基础设施对气候的影响。6月,以色列政府宣布未来5年将投资8.7亿美元促进气候技术创新,其目标是到2026年将以色列全国气候领域注册专利、初创企业和在国家科研基础设施上开展的技术试点项目翻一倍。以色列创新局和能源部也宣布,向3家企业投资近百万美元创新能源技术,上述企业分别从事能源存储、电动汽车快充、利用无人机诊断太阳能电池板故障等技术研究。

  在氢燃料电池领域,以色列巴伊兰大学宣布其化学系教授埃尔巴兹领导的研究团队正在研制“氢基可逆燃料电池”用于能源存储,且已经通过了概念验证阶段,该技术有可能彻底改变能源存储和生产方式。

  修复核电产业生态 通过碳中和路线年,韩国采取多种手段修复核电产业生态,同时全力发展氢能。

  韩国政府修复核电产业生态的举措包括:组建并启动提升核电竞争力的特别工作组,意在探索提高核电产业竞争力的方案;在庆尚南道昌原等地打造核电产业生态圈;要求已有核电站快速复工;加大企业支持力度,发布《核电产业合作企业支援对策》和《核电站中小企业支援方案》。韩国政府2022年还向核电站合作企业招标925亿韩元的工程,到2025年为止提供1万亿韩元以上的新工程。对那些面临生存危机的核电站零部件公司,韩国政府承诺提供1000亿韩元的政策资金和3800亿韩元的金融支持。

  韩国科学技术信息通信部11月审议通过《碳中和技术创新战略路线图》。根据该路线图,在二氧化碳的捕集、利用与封存方面,韩国将在日本海气田实施综合实证项目,争取到2030年和2050年,二氧化碳全年储存量分别达400万吨和1500万吨。在氢能生产与供给方面,韩国将为企业研发大量储存、远程气体运输等技术提供支持,力争实现生产与供给氢能2030年达194万吨、2050年达2970万吨的目标。此外,韩国争取到2030年推广450万辆氢能汽车,为此对下一代电池汽车进行实地验证,同时研发防止电池火灾的技术。

  2022年,巴西政府加快电力结构调整,全力发展非水可再生替代能源。巴西也宣布了实现2050年气候中和承诺的战略措施。

  巴西的光伏发电累计装机容量已从2012年的7兆瓦增长到2021年的约13吉瓦,已成为全世界第三大可再次生产的能源市场,光伏发电已是巴西最具竞争力的可再次生产的能源。巴西太阳能光伏发电协会预测,光伏行业在2022年为巴西增加超过35.7万个新工作岗位。根据评估,到2030年,光伏行业投资有望超过500亿雷亚尔(约合98.5亿美元)。

  巴西致力于应对气候平均状态随时间的变化带来的不利影响,提出了2030年温室气体排放量将在2005年基础上减少50%的新目标。巴西也宣布实现2050年气候中和承诺的战略措施,包括到2028年实现零非法毁林、到2030年恢复和重新造林1800万公顷,和鼓励扩大国家铁路网等。巴西还加入了《全球甲烷协议》,并宣布制定“减少甲烷排放国家计划——零甲烷”,该计划将致力于通过减少甲烷排放创造经济资源。

  此外,巴西农业、畜牧业和供应部宣布了《适应气候平均状态随时间的变化和低碳排放的农业可持续发展部门计划(2020—2030)》,旨在通过减缓温室气体排放来促进巴西农业可持续发展,重点推广包括节约型灌溉系统、集约化牲畜饲养在内的农业科学技术手段,力争在2030年前实现农牧业减少排放11亿吨碳当量的目标。

  巴西能源部发布的《生物燃料法案》称,到2030年巴西能源结构中的生物燃料消费将从现在的300亿升左右提高到500亿升,这将使巴西在未来10年中减少6.7亿吨二氧化碳排放。巴西交通部也出台指导性法规,推动巴西零碳汽车市场的发展,目标是提高电动汽车在巴西市场的份额,从目前全国汽车总销量的2%增至10%,并在巴西建设1万个公共充电站。

  来源:科技日报(记者 董映璧 张梦然 薛严 李山 李宏策 刘霞 胡定坤 邓国庆 实习记者 张佳欣)